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1、(10)申请公布号 CN 103033945 A (43)申请公布日 2013.04.10 C N 1 0 3 0 3 3 9 4 5 A *CN103033945A* (21)申请号 201210562648.9 (22)申请日 2012.12.21 G02B 27/28(2006.01) (71)申请人北京信息科技大学 地址 100192 北京市海淀区清河小营东路 12号 申请人清华大学 (72)发明人周哲海 谭峭峰 顾华荣 祝连庆 (74)专利代理机构北京远大卓悦知识产权代理 事务所(普通合伙) 11369 代理人贺持缓 (54) 发明名称 偏振转换器、矢量光束生成系统及方法 (57) 。
2、摘要 本发明涉及一种偏振转换器、矢量光束生成 系统及方法，该偏振转换器包括：多个等面积且 呈扇形状的分块亚波长介质光栅；其中，所述多 个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅的光 栅周期相同，光栅刻槽的取向相同；通过按预设 条件设定所述所有分块亚波长介质光栅的光栅刻 槽在空间的取向，将入射至所述偏振转换器的偏 振空间均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏 振空间不均匀的矢量光束。本发明实施例能够简 化偏振转换器的设计和制作，使得偏振转换器具 有更高的能量转换效率，并且生成的矢量光束的 偏振纯度更高。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 (19)中华人民共和国国家知识产权局。
3、 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 4 页 1/2页 2 1.一种偏振转换器，其特征在于，所述偏振转换器包括：多个等面积且呈扇形状的分 块亚波长介质光栅；其中， 所述多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅的光栅周期相同，光栅刻槽的取向 相同；通过按预设条件设定所述所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入 射至所述偏振转换器的偏振空间均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀 的矢量光束。 2.根据权利要求1所述的偏振转换器，在所述多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介 质光栅中的每一个扇形区域中，所述扇形区域的角平分线与所述入射线偏振光的第一振动 方。
4、向所成的夹角为，所述光栅刻槽的法线与所述第一振动方向所成的夹角为，则所述 入射线偏光透过所述扇形区域的光栅的第二振动方向满足等式：2=P，其中， P为生成的矢量光束的偏振级次。 3.根据权利要求1或2所述的偏振转换器，其特征在于，所述多个等面积呈扇形状的分 块亚波长介质光栅为熔融石英，所述介质光栅在600纳米处的折射率为1.458。 4.根据权利要求3所述的偏振转换器，其特征在于，所述光栅周期为0.52微米，所述偏 振转换器的占空比为0.65，所述光栅刻槽的深度为5.75微米。 5.一种矢量光束生成系统，其特征在于，所述矢量光束生成系统包括： 激光器，用于发出激光束； 滤波系统，用于将所述激光。
5、束进行滤波； 准直透镜，用于将所述滤波后的激光束准直为平行光束； 扩束系统，用于将所述平行光束调整成适当大小的光斑； 偏振片，用于将所述光斑转换为偏振空间均匀的线偏振光，所述线偏振光的方向由所 述偏振片的通光方向确定； 偏振转换器，用于将入射的所述线偏振光转换为偏振空间不均匀的矢量光束； 其中，通过调整所述激光器发出的所述激光束并按预设条件设定所述偏振转换器上的 所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至所述偏振转换器的偏振空间 均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束。 6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括： 偏振片，用于检测所述矢量光束的空。
6、间偏振特性； 电荷耦合元件，用于接收透过所述偏振片的矢量光束的强度，并将所述强度信号发送 给计算设备，以使得所述计算设备对所述矢量光束进行分析处理。 7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述所有分块亚波长介质光栅为等面积 且呈扇形状，所述所有分块亚波长介质光栅的光栅周期相同，光栅刻槽的取向相同。 8.根据权利要求7所述的系统，在所述所有分块亚波长介质光栅中的每一个扇形区域 中，所述每一个扇形区域的角平分线与所述线偏振光的第一振动方向所成的夹角为，所 述光栅刻槽的法线与所述第一振动方向所成的夹角为，则所述入射线偏光透过所述扇形 区域的光栅的第二振动方向满足等式：2=P，其中，P为所述矢量光。
7、束的偏振 级次。 9.一种矢量光束生成方法，其特征在于，所述方法包括： 通过激光器发出激光束； 权 利 要 求 书CN 103033945 A 2/2页 3 通过滤波系统将所述激光束进行滤波， 通过准直透镜将所述滤波后的激光束准直为平行光束； 通过扩束系统将所述平行光束调整成适当大小的光斑； 通过偏振片将所述光斑转换为偏振空间均匀的线偏振光，所述线偏振光的方向由所述 偏振片的通光方向确定； 通过偏振转换器将入射的所述线偏振光转换为偏振空间不均匀的矢量光束； 其中，通过调整所述激光器发出的所述激光束并按预设条件设定所述偏振转换器上的 所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至所述偏振。
8、转换器的偏振空间 均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束。 10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 通过偏振片检测所述矢量光束的空间偏振特性； 通过电荷耦合元件接收透过所述偏振片的矢量光束的强度，并将所述强度信号发送给 计算设备，以使得所述计算设备对所述矢量光束进行分析处理。 权 利 要 求 书CN 103033945 A 1/6页 4 偏振转换器、 矢量光束生成系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种偏振转换器、矢量光束生成系统及方法。 背景技术 0002 近年来，随着研究与应用的不断深入，调控光束的偏振态以产生具有空间不。
9、均匀 偏振分布的偏振光束引起了学术界的极大关注，成为光学领域的一个研究热点。这种具有 空间不均匀偏振分布的偏振光束被称为矢量光束(Vector beams)。通过有目的地调控光场 空间的偏振态将产生一些新的光学现象或效应，并因此扩展和增强传统光学仪器与系统的 性能，如实现光学超分辨、进行微小粒子捕获、提高材料加工效率和质量等。 0003 现有技术中的生成矢量光束的方法根据生成方法是否涉及增益媒质分为有源方 法和无源方法两大类。其中，有源方法通常是直接在激光腔内加入特定偏振模式选择器件 直接输出不同类型的矢量光束；无源方法则是在激光腔外利用特定设计的光学器件和系统 或利用干涉结构通过不同模式叠加。
10、，将偏振空间均匀的光束转换为偏振空间不均匀的矢量 光束。发明人发现，现有技术中的方法多数只能生成单一波长或较短波段范围的矢量光束， 无法灵活地应用在宽波段的光学系统中。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种偏振转换器、矢量光束生成系统及方法，实现在较宽 波段内灵活地将线偏振光转换为不同偏振分布的矢量光束。 0005 本发明实施例提供一种偏振转换器，包括：多个等面积且呈扇形状的分块亚波长 介质光栅；其中， 0006 所述多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅的光栅周期相同，光栅刻槽的 取向相同；通过按预设条件设定所述所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向， 将入射至所述偏振转换器。
11、的偏振空间均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不 均匀的矢量光束。 0007 本发明实施例还提供一种矢量光束生成系统，包括： 0008 激光器，用于发出激光束； 0009 滤波系统，用于将所述激光束进行滤波， 0010 准直透镜，用于将所述滤波后的激光束准直为平行光束； 0011 扩束系统，用于将所述平行光束调整成适当大小的光斑； 0012 偏振片，用于将所述光斑转换为偏振空间均匀的线偏振光，所述线偏振光的方向 由所述偏振片的通光方向确定； 0013 偏振转换器，用于将入射的所述线偏振光转换为偏振空间不均匀的矢量光束； 0014 其中，通过调整所述激光器发出的所述激光束并按预设条件设定所。
12、述偏振转换器 上的所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至所述偏振转换器的偏振 空间均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束。 说 明 书CN 103033945 A 2/6页 5 0015 本发明实施例还提供一种矢量光束生成方法，包括： 0016 通过激光器发出激光束； 0017 通过滤波系统将所述激光束进行滤波， 0018 通过准直透镜将所述滤波后的激光束准直为平行光束； 0019 通过扩束系统将所述平行光束调整成适当大小的光斑； 0020 通过偏振片将所述光斑转换为偏振空间均匀的线偏振光，所述线偏振光的方向由 所述偏振片的通光方向确定； 0021 通过偏振。
13、转换器将入射的所述线偏振光转换为偏振空间不均匀的矢量光束； 0022 其中，通过调整所述激光器发出的所述激光束并按预设条件设定所述偏振转换器 上的所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至所述偏振转换器的偏振 空间均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束。 0023 本发明提供的偏振转换器、矢量光束生成系统及方法，通过由多个分块的亚波长 介质光栅组成并且每一块光栅刻槽的周期和方向都相同，通过灵活改变不同分块光栅在空 间的分布形式，可以在较宽波段内灵活地将线偏振光转换为不同偏振分布的矢量光束，从 而简化了偏振转换器的设计和制作，使得偏振转换器具有更高的能量转换效率，。
14、并且生成 的矢量光束的偏振纯度更高。 附图说明 0024 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。 0025 图1为本发明实施例中所述的亚波长介质光栅的结构示意图； 0026 图2为本发明偏振转换器一个实施例的结构示意图； 0027 图3为根据图2所示实施例设计的共振区亚波长介质光栅的相位延迟随入射激光 波长的变化曲线示意图； 0028 图4为根据图2所示实施例偏振转换器的空。
15、间角度的示意图； 0029 图5为根据图2所示实施例生成光束的偏振纯度随着器件相对分块数的变化曲 线； 0030 图6为本发明矢量光束生成系统一个实施例的结构示意图； 0031 图7为本发明矢量光束生成方法一个实施例的流程示意图。 具体实施方式 0032 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。 0033 图1为本发明实施例中所述的亚波长介质光栅的结构示意图，其中光栅基底。
16、材料 的折射率为n 3 ，光栅材料折射率为n 1 ，填充材料的折射率为n 2 ，覆盖层材料的折射率为n 0 ， 说 明 书CN 103033945 A 3/6页 6 该覆盖层通常为空气，即n 0 =1.0；光栅周期为d，介质光栅的刻槽宽度为d 1 ，则d 1 /d称为介 质光栅的占空比；K为光栅刻槽方向矢量，k为入射光束的波矢，且将入射光束分解为振动 方向与入射面垂直的TE分量和振动方向与入射面平行的TM分量。对于一介质光栅，若光 栅周期d小于入射光的波长，则此情况下称该光栅为亚波长介质光栅。基于等效介质膜 理论（effective medium theory，简称为EMT），该亚波长介质光栅。
17、可看做是具有形式双折 射特性的介质薄膜，光束在其中传播时分解为振动方向垂直的两束线偏振光，在图1所示 的情况下，这两束线偏振光的方向分别沿着TE分量和TM分量的振动方向，其对应的等效折 射率不同，并分别定义为n TE 和n TM 。通过控制光栅周期及占空比可调控该亚波长介质光栅 形式双折射的特性，即调控该介质薄膜的等效折射率n TE 和n TM 。在共振区内，即d=10.1 的情况下，该等效介质薄膜的等效双折射率差为n=n TM -n TE ，且该等效双折射率差n与入 射光的波长有密切关系，特别是当光栅周期d与入射光的波长接近时。基于这一特 性，本发明实施例提出了一种偏振转换器，该偏振转换器基。
18、于亚波长介质光栅的相位延 迟器（即半波片），并且该偏振转换器在一个较宽波段内都基本上具有相同的相位延迟。此 时，本发明实施例中的偏振转换器在该波段内满足如下等式（1-1）关系： 0034 0035 其中，h为介质光栅的刻槽深度；n()是某一波长对应的等效折射率差，并且 n()与介质光栅的结构以及所用的介质材料有密切关系，例如，光栅周期d，光栅的刻 槽占空比d 1 /d，介质折射率n 0 、n 1 、n 2 和n 3 。 0036 图2为本发明宽波段消色偏差偏振转换器一个实施例的结构示意图；如图2所示， 本发明实施例包括：多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅（如图2中的介质光栅 1、介质光栅。
19、2、介质光栅m、介质光栅n），本领域技术人员可以理解的是，本发明实 施例以多个分块亚波长介质光栅具体为n个为例进行示例性说明。 0037 其中，多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅的光栅周期相同，光栅刻槽 的取向相同；通过按设定条件设定所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将 入射至偏振转换器的偏振空间均匀的入射线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均 匀的矢量光束。其中，图2中的X轴表示入射线偏振光的振动方向。 0038 本发明实施例提供的偏振转换器，通过由多个分块的亚波长介质光栅组成并且每 一块光栅刻槽的周期和方向都相同，通过灵活改变不同分块光栅在空间的分布形式，可以 在较宽波。
20、段内灵活地将线偏振光转换为不同偏振分布的矢量光束，从而简化了偏振转换器 的设计和制作，使得偏振转换器具有更高的能量转换效率，并且生成的矢量光束的偏振纯 度更高。 0039 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面通过图3图5对图2所示实 施例进行详细描述；其中，图3为根据图2所示实施例设计的共振区亚波长介质光栅的相位 延迟随入射激光波长的变化曲线示意图，图4为根据图2所示实施例偏振转换器的空间角 度的示意图，图5为根据图2所示实施例生成光束的偏振纯度随着器件相对分块数的变化 曲线。 0040 具体地，可以通过电磁场理论并结合全局寻优算法在共振区设计上述图2所示实 施例中的偏振转换器上的亚波。
21、长介质光栅。进一步地，偏振转换器的基底材料为玻璃，介 说 明 书CN 103033945 A 4/6页 7 质光栅的材料为熔融石英，其在600纳米（nm）处的折射率为1.458，光栅周期为0.52微米 （m），占空比为0.65，刻槽深度为5.75m。该介质光栅在400800nm的波段范围的相 位延迟如图3所示，从图3可知，在整个宽波段内，介质光栅的相位延迟基本上是180，最 大偏差仅为6。因此本发明实施例中的偏振转换器可在较宽波段内实现180相位延迟， 在功能上实现了较宽波段内消色差的半波片所实现的功能。 0041 如图4所示，以第二个（标号2）扇形区域为例进行示例性说明，第二个光栅区域的 角。
22、平分线与入射线偏振光的振动方向（X轴）的夹角为，光栅刻槽的法线与X轴的夹角为 。若入射至偏振转换器的线偏振光的振动方向沿着X轴，则该线偏振光透过该第二个扇 形区域的光栅的振动方向满足等式（1-2）： 0042 2=P （1-2） 0043 其中，P为生成的矢量光束的偏振级次，表示生成的矢量光束沿圆周方向变化 360时光束振动方向变化的周期数。进一步地，若令2=，则此时预设条件为 P=1、=/2，此时生成的矢量光束是一种近似径向偏振光；若令2=+/2，则 此时预设条件为=/2+/4，此时生成的矢量光束是一种近似切向偏振光。类似地，若 =P/2（P为大于1的某个整数），则得到了一种近似高级次轴对称。
23、偏振光束。因此，通过 本发明实施例可知，通过灵活按照预设条件调控每个分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空 间的取向分布，可以得到更多形式更为复杂的矢量光束。 0044 通过上述本发明实施例生成的矢量光束在空间上是离散的，矢量光束的离散程度 取决于偏振转换器上的介质光栅的分块数，分块数越多，则获得的矢量光束越接近理想情 况。为了更好的说明本发明实施例的技术效果，本发明实施例利用“偏振纯度”描述生成的 矢量光束的偏振质量；进一步地，本发明实施例所述的偏振纯度是指生成的矢量光束沿着 理想振动方向的能量与光束总能量的比值。对于如图2所示的结构，若生成的矢量光束的 偏振级次为P，则生成的矢量光束的偏振纯度P。
24、R为如下等式： 0045 0046 其中，N r =NP为相对分块数，N为光栅分块数。 0047 进一步地，通过本发明实施例所生成的矢量光束的偏振纯度随着相对分块数的变 化曲线如图5所示，随着分块数的增加，生成的矢量光束的偏振纯度越高，当相对分块数大 于16时，偏振纯度超过98%。进一步地，当生成光束的偏振级次较小时，例如，径向和切向偏 振光（P=1），通过本发明实施例即可提出的较少分块数的偏振转换器件就可以生成高偏振 纯度的矢量光束。 0048 图6为本发明矢量光束生成系统一个实施例的结构示意图；如图6所示，本发明实 施例包括：激光器61、滤波系统62、准直透镜63、扩束系统64、偏振片65。
25、、偏振转换器66；其 中，本发明实施例中的偏振转换器66具体可以为上述图2所述实施例中的偏振转换器。 0049 具体地，激光器61发出激光束；滤波系统62将所述激光束进行滤波，准直透镜63 将滤波后的激光束准直为平行光束；扩束系统64将所述平行光束调整成适当大小的光斑； 偏振片65将所述光斑转换为偏振空间均匀的线偏振光，所述线偏振光的方向由所述偏振 片的通光方向确定；偏振转换器66将入射的所述线偏振光转换为偏振空间不均匀的矢量 说 明 书CN 103033945 A 5/6页 8 光束。 0050 其中，通过调整激光器61发出的激光束并按预设条件设定偏振转换器66上的所 有分块亚波长介质光栅的。
26、光栅刻槽在空间的取向，将入射至偏振转换器66的偏振空间均 匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束； 0051 本发明实施例提供的矢量光束生成系统，通过灵活改变偏振转换器66上的不同 分块光栅的光栅刻槽在空间的分布形式，可以在较宽波段内灵活地将线偏振光转换为不同 偏振分布的矢量光束，从而简化了偏振转换器66的设计和制作，使得偏振转换器66具有更 高的能量转换效率，并且生成的矢量光束的偏振纯度更高。 0052 进一步地，在上述图6所示实施例中，滤波系统62可以由显微物镜和针孔组成的 光学滤波器构成；准直透镜63准直为平行光束，该平行光束的亮度还可通过可调衰减器67 进行亮度调整；。
27、如果将适当方向的线偏振光入射到本发明所述的偏振转换器66上，则可将 入射的线偏振光转换为一种偏振空间不均匀的矢量光束，而且因为该偏振转换器具有在较 宽波段内消色差特性，采用不同波长的激光器作为光源，则可以获得对应波长的矢量光束。 0053 进一步地，通过偏振转换器67之后的矢量光束的空间偏振特性可利用偏振片68 检测，透过偏振片68的光束强度被电荷耦合单元（CCD）69接收，输入到计算机60中进行分 析。 0054 图7为本发明矢量光束生成方法一个实施例的流程示意图；图6所示的矢量光束 生成系统可以实现本发明实施例的方法流程，如图7所示，本发明实施例包括： 0055 步骤701、通过激光器发出。
28、激光束； 0056 步骤702、通过滤波系统将来自激光器的激光束进行滤波， 0057 步骤703、通过准直透镜将滤波后的激光束准直为平行光束； 0058 步骤704、通过扩束系统将平行光束调整成适当大小的光斑； 0059 步骤705、通过偏振片将所述光斑转换为偏振空间均匀的线偏振光，其中，线偏振 光的方向由偏振片的通光方向确定； 0060 步骤706、通过偏振转换器将入射的线偏振光转换为偏振空间不均匀的矢量光 束； 0061 其中，通过调整所述激光器发出的所述激光束并按预设条件设定所述偏振转换器 上的所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至所述偏振转换器的偏振 空间均匀的线偏振光。
29、转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束。 0062 本发明实施例提供的矢量光束生成方法，通过灵活改变偏振转换器上的不同分块 介质光栅的光栅刻槽在空间的分布形式，可以在较宽波段内灵活地将线偏振光转换为不同 偏振分布的矢量光束，从而简化了偏振转换器的设计和制作，使得偏振转换器具有更高的 能量转换效率，并且生成的矢量光束的偏振纯度更高。 0063 进一步地，在上述图7所示实施例的基础上，还可以包括： 0064 通过偏振片检测所述矢量光束的空间偏振特性； 0065 通过电荷耦合元件接收透过所述偏振片的矢量光束的强度，并将所述强度信号发 送给计算机设备，以使得所述计算机设备对所述矢量光束进行分析处。
30、理。 0066 综上，本发明实施例提供的偏振转换器件、矢量光束生成系统及方法，通过利用偏 振转换器可以在较宽波段内将入射的偏振空间均匀的线偏振光转换成多种形式的矢量光 说 明 书CN 103033945 A 6/6页 9 束。当偏振转换器的分块数较大时，生成的矢量光束的偏振纯度也较高。因此本发明实施 例偏转转换器相对现有技术中的偏转转换器具有结构简单、易于加工、性能较高等优点。 0067 本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序 指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执 行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括。
31、：ROM、RAM、磁碟或者光盘 等各种可以存储程序代码的介质。 0068 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽 管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精 神和范围。 说 明 书CN 103033945 A 1/4页 10 图1 图2 说 明 书 附 图CN 103033945 A 10 2/4页 11 图3 图4 说 明 书 附 图CN 103033945 A 11 3/4页 12 图5 图6 说 明 书 附 图CN 103033945 A 12 4/4页 13 图7 说 明 书 附 图CN 103033945 A 13 。